W tym tygodniu tokijska grupa zaprezentowała wariant dobrze znanego narzędzia przemysłowego, który (jeśli sprawdzi się poza materiałami prasowymi) może usunąć jedną z większych przeszkód w skalowaniu modułów perowskitowych. Propozycja brzmi prosto, a w praktyce jest trudna, bo wymaga nałożenia warstwy transportu elektronów bezpośrednio na kruchy perowskit w niskiej temperaturze, zrobić to szybko na dużych powierzchniach, uniknąć szkodliwych gazów prekursorowych i nie naruszyć leżącego pod spodem filmu. Firma twierdzi, że jej metoda reaktywnego osadzania w plazmie potrafi to wszystko… a nawet jeszcze więcej.
Plazmowy pistolet w imię taniej fotowoltaiki. Sumitomo zrewolucjonizuje produkcję perowskitowych paneli słonecznych
Perowskitowe panele słoneczne to stosy cienkich warstw, z których każda ma swoje zadanie. Warstwa transportu elektronów, często z tlenku cyny, wyprowadza elektrony z absorbującego światło perowskitu w stronę elektrody. Musi przyjmować elektrony, blokować dziury i tworzyć ścisły kontakt, nie przegrzewając ani nie wpływać negatywnie na perowskit poniżej. Tradycyjne fizyczne metody wysokoenergetyczne mają tu problem, bo energetyczne jony i ciepło mogą uszkadzać miękkie, roztworowo wytwarzane perowskity. Dlatego wielu producentów wolało trasy chemiczne, takie jak ALD, SALD albo kąpiele chemiczne z użyciem prekursorów organometalicznych lub chlorkowych, mimo ich kosztów, ograniczonej przepustowości i kompromisów bezpieczeństwa.
Czytaj też: Branża EV stoi przed gigantycznym wyzwaniem produkcyjnym. Potrzeba ogniw dla 142 milionów pojazdów
Odpowiedzią Sumitomo jest reaktywne osadzanie w plazmie (RPD), czyli odmiana napylania PVD, którą firma już stosuje do wytwarzania przezroczystych tlenków przewodzących, takich jak ITO. W skrócie: plazma bogata w elektrony uaktywnia odparowany materiał, więc warstwa rośnie szybko przy niskiej temperaturze podłoża. Firma ogłosiła, że jako pierwsza na świecie wytworzyła tlenek cyny SnO₂ o umiarkowanej izolacyjności, czyli taki, który działa jako warstwa transportu elektronów (ETL), a nie robi zwarcia. Według SHI ten proces może nakładać SnO₂ ponad 200 razy szybciej niż popularna sekwencja fuleren + SnO₂ i obniżyć koszt ETL do poniżej 0,5 procent obecnego rozwiązania. Ponieważ RPD jest już używane do ITO, SHI twierdzi, że ETL i przezroczystą elektrodę da się osadzić jedna po drugiej w jednej linii próżniowej.
Zalety SnO₂ są dobrze znane: pasma energetyczne pasują do perowskitów, materiał jest stabilny i lepiej znosi światło oraz ciepło niż organiczne ETL, takie jak fulereny C₆₀ czy związki BCP. Problemem jest sposób nanoszenia, bo ALD-SnO₂ potrafi dawać świetne parametry elektryczne, ale popularne prekursory (np. TDMASn) są drogie i potrafią się degradować, a kroki z plazmą i wyższą temperaturą mogą szkodzić delikatnym warstwom organicznym lub samemu perowskitowi. Z kolei kąpiele chemiczne często opierały się na niebezpiecznych odczynnikach i były powolne, choć w laboratoriach powoli pojawiają się lepsze alternatywy. Fizyczna metoda, która mało uszkadza i działa szybko, pozwoliłaby jednym ruchem ominąć kilka tych kłopotów.
Czytaj też: Zaskakujące odkrycie. Te akumulatory nie powinny tak działać
RPD ma przemysłowy rodowód w produkcji przezroczystych przewodników. To plus i minus jednocześnie. Na plus działa to, że sprzęt już istnieje, może pracować w niskiej temperaturze, zapewnia dobrą przyczepność i długie, stabilne przebiegi. Na minus – środowisko plazmowe nie jest wolne od skutków ubocznych i w przetwarzaniu krzemu słonecznego źle dobrane parametry RPD ma doprowadzać do defektów na interfejsach. Wniosek jest taki, że kluczowe są właściwe okna procesowe, zwłaszcza gdy podłożem jest wrażliwy na wilgoć hybrydowy półprzewodnik, jak perowskit. Sumitomo musi więc pokazać, że deklarowana “umiarkowana izolacyjność” utrzymuje się na pełnowymiarowych podłożach, a nie tylko na próbkach, oraz że stabilność urządzeń nie pogarsza się pod wpływem światła, ciepła i wilgoci.
Na ile wiarygodne są deklaracje 200 razy szybciej i koszt poniżej 1 procenta
Proces odniesienia, do którego Sumitomo się porównuje, jest już dosyć powszechny od laboratoriów po pilotaże. Cel? Prosty. Osadzić C₆₀ na perowskicie, by okiełznać interfejsy, a potem chemicznie wyhodować na nim SnO₂. To działa, ale jest wolne, wymaga drogich organików i prekursorów oraz wprowadza dwa kroki i dwa zestawy materiałów eksploatacyjnych. Jeśli RPD rzeczywiście pozwala jednym fizycznym krokiem utworzyć ETL bezpośrednio na perowskicie w prędkościach produkcyjnych, no to będzie to rewolucja. Zwłaszcza że firma dumnie twierdzi, że spadek cen będzie przeogromny, choć nie podaje szczegółowej kalkulacji materiałów, modelu amortyzacji narzędzi i założeń dotyczących uzysków. Urządzenia plazmowe także zużywają energię i tarcze, a jeśli interfejsy nie są perfekcyjnie dostrojone, mogą wprowadzać nowe tryby uszkodzeń.
Czytaj też: Prąd z kosmosu, którego potrzebuje świat. Zapomnij o panelach słonecznych w ogrodach i na dachach
Na tę chwilę musimy więc patrzeć na tę zapowiedź z przymrużeniem oka, bo dopiero dwa niedostarczone jeszcze dowody przesunęłyby ten pomysł z kategorii “intrygujące” do “realne”. Po pierwsze, niezależne dane urządzeniowe pokazujące, że ETL SnO₂ z RPD nie degraduje morfologii perowskitu ani nie wprowadza centrów rekombinacji przez tysiące godzin testów wilgotnego ciepła i naświetlania. Po drugie, demonstracje na poziomie linii produkcyjnej, gdzie ETL i ITO rzeczywiście są prowadzone w ciągłej sekwencji próżniowej na taśmach lub płytach w skali metrowej z akceptowalną jednorodnością i rezystywnością.